Ученые СПбГУ разрабатывают уникальный лазер

Сотрудники лаборатории предложили альтернативу существующему терагерцовому лазеру стоимостью около 50 тысяч долларов и размером со стол. Если же воплотить в жизнь разработку петербургских ученых, он будет иметь размер булавочной головки, работать при комнатной температуре (существующие бозонные лазеры работают при сверхнизких температурах — около −270 градусов по Цельсию) и питаться от батарейки.

Кавокин Алексей Витальевич — руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ, профессор университета Саутгемптона, (Великобритания), заведующий кафедрой нанофизики и фотоники в этом университете. В 2010 году Кавокин стал Научным директором Средиземноморского института фундаментальной физики, а в 2011 выиграл мегагрант Правительства РФ, в рамках которого была создана лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева.

Разработка ученых СПбГУ может применяться в медицине: некоторые молекулярные переходы имеют как раз терагерцовую частоту. Их можно селективно возбуждать таким лазерным светом, можно выбирать нужные молекулы, чтобы, например, уничтожать раковые клетки. Благодаря тому, что длина волны бозонного лазера составляет примерно 1 мм, по словам Алексея Кавокина, эта технология имеет большие перспективы в лечении рака кожи.

Не только медицина ждет бозонного лазера. Процессор, в основе которого будет лежать решетка бозонного лазера, мог бы существенно удешевить и упростить амбициозную задачу по созданию квантового компьютера. Правда, сам Алексей Кавокин считает, что создание квантового компьютера маловероятно. Но больше других повезло ученым, которые занимаются лазерными технологиями, в частности бозонными лазерами. Благодаря бозонному каскадному лазеру физики получат технологию, при которой конденсация Бозе-Эйнштейна становится доступной при комнатной температуре, что существенно упрощает экспериментальный процесс. Сканеры, основанные на лазерах, работающих на терагерцевой частоте, могли бы встать на страже нашей безопасности в аэропортах — с их помощью можно будет обнаружить керамические ножи или пластиковую взрывчатку.

«Я физик, а не предприниматель. Мы занимаемся фундаментальными исследованиями, а внедрение наших разработок в промышленность уже задача других людей. У нас не было цели сделать медицинский прибор. Мы случайно набрели на такое свойство этой системы и поняли, что оно может быть полезно. Наши исследования открыты, результаты мы докладываем на крупных международных конференциях, а там всегда есть представители промышленности», — поделился Кавокин размышлениями о дальнейшей судьбе своего проекта.

В основе базонного каскадного лазера лежат полупроводники. Поэтому свое выступление, Алексей Кавокин начал с объяснения того, что такое полупроводники на понятном примере гейзерной кофеварки. Нагреваясь, вода переходит в пар и под давлением, просачиваясь через слой кофе, вновь конденсируется в другом резервуаре. Точно также происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости через запрещенную зону. Полупроводники — неисчерпаемая тема для физиков. За исследования в этой области получено немало Нобелевских премий, в том числе и российскими учеными.

Сейчас в лаборатории оптики спина 33 сотрудника, причем половина из них — молодые исследователи (постдоки, аспиранты, студенты). За время работы лаборатории опубликованы более 50 научных статей в международных журналах высокого уровня, включая «Nature». Свободное время Алексей Кавокин посвящает истории, литературной деятельности и воспитанию четверых детей.

Все лазеры основаны на работе Альберта Эйнштейна 1917 года, в которой он обосновал, что излучение света может быть как спонтанным, так и вынужденным. «Усиление света, благодаря стимулированному излучению света» — так расшифровывается слово «лазер». В конце XX века, была предложена теоретическая концепция нового лазера, который основан на другом принципе. Бозонный лазер излучает свет только спонтанно, как свеча, лампочка, Солнце.

Объект, излучающий свет, является конденсатом Бозе-Эйнштейна (который состоит из частиц, находящихся в одном квантовом состоянии). Этот спонтанный свет обладает всеми характеристиками лазерного света: когерентный, монохроматичный, направленный.

Бозе-конденсация — это сложное когерентное многочастичное явление, родственное сверхпроводимости и сверхтекучести. Но, в отличие от сверхпроводимости и сверхтекучести, для которых необходимы сверхнизкие температуры, его удалось пронаблюдать при комнатной температуре. Благодаря этому свойству, практическое применение бозонного лазера существенно упрощается. Бозонный конденсат может не только излучать свет, но и провоцировать переходы из более высоких энергетических состояний в самого себя, как черная дыра. В результате этого процесса излучаются низкоэнергетические фотоны, имеющие терагерцовую частоту.